JP2009131114A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動直後に歯車のバックラッシに起因する出力軸の回転方向の微小な変動が生じても、運転状態の誤判定を防止することのできる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】回転方向を検出する回転センサ９と、回転トルクの向きを検出するトルク検出手段１０と、これらの検出結果に基き、現在の運転状態が力行運転状態と回生運転状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段１１と、を設ける。運転状態判定手段１１は、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、出力軸が微小時間の間に回転方向の変動を繰り返す場合には、回転センサ９で検出された方向に拘わらず力行運転状態と判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両の駆動用の動力源等として用いられる電動機の制御装置に関するものである。

車両駆動に用いられる電動機の技術として、出力軸の回転方向と回転トルクの向き（正負）に応じて、現在の運転状態が力行運転状態と回生運転状態のいずれであるかを判定し、その判定結果に基づいて制御指令値を設定するものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１８４９７８号公報

この種の電動機は、通常、出力軸が歯車伝達機構を介して動力負荷に連係されている。歯車伝達機構は、噛み合う歯車間にバックラッシが存在するため、電動機に入力されるトルク指令値がステップ状に急激に立ち上がる場合に、駆動直後に出力軸が相手歯車に跳ね返される現象を生じる。すなわち、電動機はトルク指令値によって出力軸を回転させ、出力軸から歯車伝達機構に回転トルクを伝達しようとするが、歯車伝達機構側に作用する動力負荷が大きい場合には、歯車伝達機構を即時に追従回転させることができない。このため、電動機の出力軸は駆動直後に相手歯車によって跳ね返されてしまう。
この場合、電動機は目標トルクに到達するまでの間は回転を継続しようとするため、出力軸の駆動回転と跳ね返りが微小時間の間に繰り返されることがある。

ところで、上記従来の電動機の技術は、出力軸の回転方向と回転トルクの向きを基にして電動機の運転状態を判定するものであり、回転方向と回転トルクの向きが同じ場合に力行運転状態と判定し、回転方向と回転トルクの向きが異なる場合に回生運転状態と判定する。

この従来の電動機の技術を採用した場合に、電動機の始動直後に前述したバックラッシに起因する出力軸の回転方向の変動が起こると、回転トルクが一定の向きのまま出力軸の回転方向が変化するために運転状態の判定に誤りを生じる可能性が考えられる。つまり、電動機の始動時には、トルク指令値を発して電動機を回転させようとしているために回生運転状態であることはないが、相手歯車からの跳ね返りによって出力軸の回転方向が変化したときに、回生運転状態であるものと誤判定してしまう。

このため、例えば、バッテリーの過充電を防止するためにバッテリーが満充電状態のときに回生時の出力トルクをゼロに設定する制御を行っている場合には、始動直後のトルク指令値が本来のトルク指令値とゼロの間で変動し、その結果、回転振動が発生することが懸念される。

そこで、この発明は、始動直後に歯車のバックラッシに起因する出力軸の回転方向の微小な変動が生じても、運転状態の誤判定を防止することのできる電動機の制御装置を提供しようとするものである。

上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、出力軸（例えば、実施形態における出力軸５）が動力負荷（例えば、実施形態における車輪２）に歯車伝達機構（例えば、実施形態における歯車伝達機構６）を介して連係される電動機に用いられ、前記出力軸の回転方向を検出する回転方向検出手段（例えば、実施形態における回転センサ９）と、前記出力軸の回転トルクを検出するトルク検出手段（例えば、実施形態におけるトルク検出手段１０）と、前記回転方向検出手段とトルク検出手段の検出結果に基き、現在の運転状態が力行運転状態と回生運転状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段（例えば、実施形態における運転状態判定手段１１）と、を備えた電動機の制御装置において、前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、前記出力軸が微小時間の間に回転方向の変動を繰り返す場合には、前記回転方向検出手段の検出結果に拘わらず力行運転状態と判定することを特徴とする。
これにより、電動機の運転が停止した状態から駆動指令値が入力され、歯車の噛み合い部のバックラッシに起因する回転方向の変動が出力軸に生じている間は、運転状態判定手段によって常に力行運転状態と判定されるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動機の制御装置において、前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、前記出力軸の回転速度の絶対値が設定値以下であれば、力行運転状態と判定することを特徴とする。
電動機の運転が停止した状態から駆動指令値が入力され、歯車の噛み合い部のバックラッシに起因する回転方向の変動が出力軸に生じている間は、出力軸の回転方向が微小時間の間に入れ替われるため、回転速度の絶対値はある程度以上には大きくならない。このため、基準となる回転速度の絶対値（設定値）を適切に設定することにより、回転方向の変動が出力軸に生じているときに力行運転状態と判定することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電動機の制御装置において、前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力された後、出力軸の回転方向の変動の継続が予測される設定時間の範囲であれば、力行運転状態と判定することを特徴とする。
歯車の噛み合い部のバックラッシに起因する回転方向の変動が出力軸に生じるのは、電動機の運転が停止した状態から駆動指令値が入力された後のある限られた時間の間だけである。このため、基準となる経過時間（設定時間）を適切に設定することにより、回転方向の変動が出力軸に生じているときに力行運転状態と判定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の電動機の制御装置において、前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、前記出力軸の回転方向の変動周波数が設定値以上であれば、力行運転状態と判定することを特徴とする。
電動機の運転が停止した状態から駆動指令値が入力され、歯車の噛み合い部のバックラッシに起因する回転方向の変動が出力軸に生じている間は、回転方向の変動はある周波数以上となっている。このため、基準とする周波数（設定値）を適切に設定することにより、回転方向の変動が出力軸に生じているときに力行運転状態と判定することができる。

請求項１に記載の発明によれば、始動直後に歯車のバックラッシに起因する出力軸の回転方向の変動が生じても、その間は運転状態判定手段によって常に力行運転状態と判定されるので、運転状態の誤判定を未然に防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、出力軸の回転速度の絶対値が設定値以下であれば力行運転状態と判定するので、電動機の始動時における運転状態の誤判定を確実に防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、運転停止の状態から駆動指令値が入力された後、出力軸の回転方向の変動の継続が予測される設定時間の範囲であれば、力行運転状態と判定するので、運転状態の誤判定を確実に防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、出力軸の回転方向の変動周波数が設定値以上であれば力行運転状態と判定するので、電動機の始動時における運転状態の誤判定を確実に防止することができる。

以下、この発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１〜図４に示すこの発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、この発明にかかる電動機１を車両の駆動源として用いた実施形態を示すものである。同図において、２は、電動機１に対して動力負荷となる車輪であり、２ａは、この車輪２の車輪軸である。電動機１は、車体側に固定されるステータ３と、ステータ３から磁力を受けて駆動回転するロータ４を備え、ロータ４に出力軸５が固定されている。電動機１の出力軸５と車輪軸２ａは歯車伝達機構６を介して連係されている。この歯車伝達機構６は、この実施形態の場合、減速機構を構成している。歯車伝達機構６の歯車数は任意であるが、ここでは理解を容易にするために、出力軸５に結合される小径の第１歯車６ａと、車輪軸２ａに結合される大径の第２歯車６ｂとから成るものとしている。

電動機１は、図示しないバッテリから電力を受け、コントローラ７の駆動制御手段８からトルク指示値を受けてロータ４を駆動回転（力行運転）させるとともに、車輪２の回転力を歯車伝達機構６を介してロータ４で受け、コントローラ７からトルク指示値を受けて回生制動（回生運転）を行うようになっている。コントローラ７によるトルク指示値の出力は、運転者によるアクセルやブレーキの操作や、バッテリの残容量（ＳＯＣ）等の種々の車両状態に基づいて行われる。なお、電動機１に入力されるトルク指示値は急激にステップ状に立ち上がる。バッテリの残容量に応じた制御としては、例えば、バッテリが満充電の状態のときに、電動機１に対するトルク指示値をゼロにし、回生制動による充電を禁止する制御が行われる。

また、コントローラ７の入力部には、電動機１の出力軸５（ロータ４）の回転方向と回転数を検出する回転センサ９（回転方向検出手段）と、電動機１を流れる電流等に基づいて出力軸５の回転トルクを検出するトルク検出手段１０が接続されている。そして、コントローラ７は、回転センサ９とトルク検出手段１０から入力信号を受け、電動機１が、現在、力行運転状態であるのか回生運転状態であるのかを判定する運転状態判定手段１１を備えている。

運転状態判定手段１１においては、電動機１の出力軸５の回転方向と回転トルクの向きに応じて運転状態の基本的な判定を行い、出力軸５の回転方向と回転トルクの向きが同じ場合に力行運転状態と判定し、回転方向と回転トルクの向きが異なる場合に回生運転状態と判定する。具体的には、車両が前進するときに出力軸５の回転方向を正、それと逆向きの回転方向を負と呼ぶものとすると、出力軸５の回転方向が正になる車両の前進時には、回転トルクの向きが正であれば力行運転状態、負であれば回生運転状態と判定し、出力軸５の回転方向が負となる車両の後退時には、回転トルクの向きが正であれば回生運転状態、負であれば力行運転状態と判定する。

ただし、車両の発進時に電動機１を始動する場合には、図２に示すように、歯車伝達機構６のバックラッシによって出力軸５の回転方向の微小な変動が繰り返されるため、運転状態判定手段１１は、前述の基本的な判定とは異なる手法によって運転状態の判定を行う。

この第１の実施形態では、電動機１の始動時にバックラッシによる回転方向の変動が起こっているときには回転速度の絶対値がある程度以上に大きくならないことに着目し、運転状態判定手段１１は、現在の出力軸５の回転速度の絶対値と、予め決められた設定値とを比較し、電動機１の始動時に出力軸５の回転速度の絶対値が設定値以下のときには、常に力行運転状態と判定するようにしている。

図３は、この実施形態における運転状態の判定パターンを示したものであり、同図においては、出力軸５の実際の回転速度が−Ａ以上Ａ以下の範囲のときに常に力行運転状態（駆動運転状態）と判定することを示している。ただし、同図において、Ａは、基準となる設定値を意味するものとする。
また、図４は、電動機１の始動時のバックラッシに起因する回転方向の変動が、回転速度が−Ａ以上Ａ以下の範囲で起きていることを示している。

以上のように、この電動機１では、始動時にバックラッシに起因する出力軸５の回転方向の変動が起こっても、その間は運転状態判定手段１１が常に力行運転状態と判定するようになっているため、運転状態が誤判定される、つまり回生運転が行われているものと判定されることはない。

したがって、例えば、バッテリが満充電の状態で電動機１が始動されたときに、運転状態判定手段１１が誤って回生運転状態と判定して、トルク指示値をゼロに設定してしまうことがないため、誤判定に起因した電動機１の回転振動の発生を未然に防止することができる。

以上説明した第１の実施形態においては、電動機１の始動時にバックラッシに起因する回転方向の変動が起きる状況を、出力軸５の回転速度の絶対値と設定値を比較することで把握するようにしているが、電動機１の始動時に生じるバックラッシに起因した回転方向の変動が始動直後の僅かな時間のみであることに着目し、図５に示すように電動機１に駆動指令値が入力された後、予め決められた設定時間Ｔ１の間は、常に力行運転状態と判定するようにしても良い。
この場合も、電動機１の始動時における運転状態の誤判定を確実に防止することができる。

また、電動機１の始動時のバックラッシに起因した回転方向の変動は微小周波数で繰り返されることに着目し、電動機１に駆動指令値が入力されたときに、回転方向の変動が予め決められた設定周波数以上である場合に、常に力行運転状態と判定するようにしても良い。
この場合も、電動機１の始動時における運転状態の誤判定を確実に防止することができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、この発明にかかる電動機を車両の駆動用電動機として用いたが、この電動機の適用は車両の駆動用に限らず他の装置であっても良い。

この発明の第１の実施形態を示す概略構成図。 同実施形態のモータトルク、モータ速度、タイヤ速度の各変化を示すタイムチャート。 同実施形態の力行運転状態と回生運転状態の判定パターンを示す図。 同実施形態を説明するためのモータ速度の変化を示すグラフ。 この発明の第２の実施形態を説明するためのモータ速度の変化を示すグラフ。

符号の説明

２…車輪
５…出力軸
６…歯車伝達機構
９…回転センサ
１０…トルク検出手段
１１…運転状態判定手段

Claims (4)

1. 出力軸が動力負荷に歯車伝達機構を介して連係される電動機に用いられ、
   前記出力軸の回転方向を検出する回転方向検出手段と、
   前記出力軸の回転トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記回転方向検出手段とトルク検出手段の検出結果に基き、現在の運転状態が力行運転状態と回生運転状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段と、を備えた電動機の制御装置において、
   前記運転状態判定手段は、
   運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、前記出力軸が微小時間の間に回転方向の変動を繰り返す場合には、前記回転方向検出手段の検出結果に拘わらず力行運転状態と判定することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、前記出力軸の回転速度の絶対値が設定値以下であれば、力行運転状態と判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力された後、出力軸の回転方向の変動の継続が予測される設定時間の範囲であれば、力行運転状態と判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
4. 前記運転状態判定手段は、運転停止の状態から駆動指令値が入力されたときに、前記出力軸の回転方向の変動周波数が設定値以上であれば、力行運転状態と判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。

Images